一種高精度、高采樣率的模擬隔離采樣電路設計

游昊，石恒初，楊遠航，李銀銀，朱青成，徐騰飛

（1.云南電力調度控制中心，云南 昆明 650011；2.山東山大電力技術股份有限公司，山東 濟南 250101）

由于能源和經濟發(fā)展的不平衡，高壓直流輸電大容量、遠距離的輸電優(yōu)勢，在我國“西電東送，全國聯(lián)網”戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用[1-4]。多端直流輸電系統(tǒng)是指含有多個整流站或多個逆變站的直流輸電系統(tǒng)，它與交流系統(tǒng)有多個連接端口，能夠實現(xiàn)多個電源區(qū)域向多個負荷中心供電，其換流站可以在整流與逆變之間切換，為電網提供了一種更為靈活、快捷的輸電方式。柔性直流輸電技術是基于可關斷電力電子器件，通常是絕緣柵雙極型晶體管（insulated-gate bipolar transistor，IGBT），及電壓源型換流器的新型直流輸電技術，其具有能向無源系統(tǒng)供電、具備動態(tài)無功支撐能力、無需交流濾波裝置等諸多技術優(yōu)勢。發(fā)展多端柔性直流輸電技術，是解決我國能源利用問題、發(fā)展我國柔性直流輸電技術的必然趨勢[5-6]。為配合柔性直流輸電關鍵技術的研究，研究用于柔性直流輸電調試、運行和維護的專用現(xiàn)場便攜式檢修測試和故障分析技術，開發(fā)便攜式檢修測試和故障分析系統(tǒng)，對提高柔性直流輸電二次系統(tǒng)現(xiàn)場檢修維護工作效率具有重要意義。

由于換流站的特殊性，不同區(qū)域設備的故障有其自己的特點，并且直流核心設備的故障形式和機理與交流系統(tǒng)中的一般元件有很大差別，雖然國外眾多廠家也推出來不少應用于直流系統(tǒng)的故障錄波系統(tǒng)，如ABB技術路線的直流換流站控制保護系統(tǒng)中，故障錄波的分析與診斷主要依賴于SCADA系統(tǒng)中工程師工作站所提供的數(shù)據，而國內的主流廠家針對直流系統(tǒng)推出故障錄波裝置，主要集中于數(shù)字FT3信號的采集，模擬部分采樣率只有20 kHz，不能滿足柔性直流輸電對高采樣率的要求[7-8]。

為了解決上述問題，本文采用Maxim公司MAX11901模數(shù)轉換芯片，TI公司的OPA2350運放芯片，ADI公司的ADuM6401數(shù)字隔離芯片等設計了一套高精度、高采樣率的模擬采樣電路。

1 方案設計

目前故障錄波裝置模擬采樣率一般不超過20 kHz，為實現(xiàn)500 kHz采樣速率，通用方案主要有2種：并行雙通道實時采樣（也稱為并行雙通道時間交替采樣）和單通道實時采樣[9-10]。

并行雙通道實時采樣是將被采樣信號同時接入兩個完全一樣的采樣電路，這兩個采樣電路采樣頻率為要求頻率的一半。一個在時鐘上升沿采樣，另外一個在時鐘下降沿采樣。并且第二個時鐘要比第一個時鐘延遲180°。兩套系統(tǒng)采樣結果合起來的采樣頻率即為所要求的頻率[11]。具體來說所要求的采樣頻率為500 kHz，周期為2 μs。同時接入兩片模數(shù)轉換器（analog to digital converters，ADC），采樣頻率為250 kHz，周期為4 μs，通過時鐘的相位延遲實現(xiàn)延遲2 μs。這樣在4個μs的時間內就可以采樣兩次數(shù)據，達到了500 kHz的采樣頻率。這種方案既有效地提高了系統(tǒng)的采樣率又降低了對數(shù)據存儲和傳輸?shù)囊?，進而實現(xiàn)了500 kHz的采樣率。缺點是需設計兩套相同的采樣電路和時鐘信號，電路和算法復雜。

單通道實時采樣是指采用1個500 kHz的采集通道工作，優(yōu)點是電路設計簡單，缺點是對數(shù)據存儲和傳輸速率要求較高。

并行雙通道實時采樣方案需要2個完全一樣采樣頻率大于500 ksps的ADC，控制邏輯也比較復雜，需要把時鐘進行相位延遲，然后在程序內部將2片AD的采樣結果再合成為1個采樣結果，單通道實時采樣方案需要1個采樣頻率大于1 Msps的ADC，只要CPU的處理速度滿足要求，控制邏輯相對簡單，

經分析500 ksps和1 Msps的ADC價格以及裝置的CPU性能，考慮到裝置的整體設計情況，選用了單通道實時采樣方案，方案如圖1所示。

圖1 方案框圖Fig.1 The block diagram of the project

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 AD采樣電路設計

ADC芯片選用了Maxim公司的MAX11901芯片，MAX11901是一款16位、1.6 Msps單通道、帶內部參考緩沖器的全差分逐次逼近型（successive approximation register，SAR）ADC[12]。電源包括參考緩沖器的3.3 V電源、1.8 V模擬電源、1.8 V數(shù)字電源和1.5～3.6 V數(shù)字接口電源，通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）方式與控制芯片通訊，可以達到95.2 dB的信噪比（signal noise ratio，SNR）和-115 dB的總諧波失真（total harmonic distortion，THD），保證了16位分辨率。

為了保證采樣精度，ADC參考電源選擇外部輸入參考電源方式，選用了ADI公司的ADR3430電源芯片，ADR3430A為低成本、低功耗、高精度的基準電壓源，具有±0.1%的初始精度、低工作電流和低輸出噪聲特性，采用SOT-23（small outline transistor-23，小外形晶體管封裝）小型封裝。在電路中輸入內部參考電源3.3 V（3.3 V_ISO），輸出3 V基準參考電源（3V_REF）。

工作電源選用了TI公司的TLV7111518D電源芯片，TLV7111518D為雙通道、低壓降線性穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDR），在整個溫度范圍內提供了2%的典型準確度。在電路中產生1.8 V和1.5 V電源。其中1.8 V電源提供給MAX11901模擬部分AVDD（1.8 V_ISO）和數(shù)字部分DVDD（1.8 V_ISO）。1.5 V電源提供給采樣電路做直流參考源（1.5 V_ISO）。

AD的數(shù)字接口電源OVDD（3.3 V_ISO）同樣用內部參考電源3.3 V提供。

為了實現(xiàn)外部輸入和內部電路的隔離選用了ADI公司的ADuM6401數(shù)字隔離芯片，AD-uM6401為isoPower集成式隔離式DC-DC轉換器，具備4路直流至25 Mbps（NRZ）信號隔離通道，在電路中將SPI信號、電源、地進行隔離。

2.2 大信號采樣電路設計

便攜裝置需要采樣的模擬信號包括直流電壓、直流電流、交流電壓和交流電流4種。若以采樣電路形式而分可以分為大信號采樣電路和小信號采樣電路。

大信號采樣電路的采樣信號主要包括0～180 V AC，0～400 V AC，0～100 A AC，0～20 V DC，0～200 V DC，0～2 000 V DC；小信號采樣電路的采樣信號主要包括0～200 mV DC，0～20 mA DC。

MAX11901的規(guī)格書上要求輸入范圍為：（AN+）-（AN-）∈[-3，3]V，AN∈[-0.1，3.1]V。為了使?jié)M足精度、采樣范圍、輸入阻抗、不同輸入電壓等的要求，運放選用了TI公司的OPA2350單電源、雙通道、高精度的運放芯片，采用3.3 V供電。為了滿足交流電壓輸入和運放輸入電壓的要求，設計了1.5 V的直流參考電源[13-15]。

大信號采樣電路的具體電路如圖2所示，在實際電路設計中，R1=R2，R3=R4=4.99 kΩ。

圖2 電壓采樣電路原理圖Fig.2 Schematic of the voltage sampling circuit

根據基爾霍夫定律和運放“虛短”和“虛斷”，由圖2可以得到：

式中：VIP為輸入差分電壓正輸入端（U1_P）電壓；VAP為U1A同相輸入端（AP）電壓。

式中：VIN為輸入差分電壓負輸入端（U1_N）電壓；VBP為U1B同相輸入端（BP）電壓。

式中：VAO為U1A輸出端（AO）電壓；VAN為U1A反相輸入端（AN）電壓。

式中：VBO為U1B輸出端（BO）電壓；VBN為U1B反相輸入端（BN）電壓。

由式（1）～式（4）可以得到以下公式：

式中：PR1為R1電阻承受的功率。

在實際使用時，可以選擇R1和R2的阻值和功率來適應不同類型輸入信號。且一般要求電阻功率≥2×電阻實際承受的功率。

下面以0～180 V AC輸入為例來計算R1和R2的阻值和功率。

0～180V交流電壓輸入時，輸入電壓Vin∈[-254.52，254.52]V，需滿足運放輸出電壓范圍和ADC引腳輸入范圍要求，即

則可以得到：R1=R2≥418 kΩ，即0～180 V交流電壓輸入時，R1和R2至少選用418 kΩ以上，采樣電路才能采樣0～180 V交流電壓，實際應用中選擇R1=R2=499 kΩ。則

則R1，R2的電阻功率至少要達到0.13 W。在實際應用中，考慮實際情況選用了0.5 W功率的電阻。

交流電流采樣選用是電流鉗方案，內部采用互感器方式采樣，將交流電流轉換為交流電壓輸出，電流鉗具體采用的指標為：10 mV∕A，最大采樣范圍為100 A。則電流鉗輸出電壓范圍為0～1 V，輸入電壓VIN∈[-1.414，1.414]V。因此不需要分壓。R1=R2=0 Ω，功率同樣選擇了0.5 W。則

以此類推其余輸入信號的采樣電阻如表1所示。

表1 大信號采樣電路參數(shù)值Tab.1 Large signal sampling circuit parameters

2.3 小信號采樣電路設計

小信號采樣電路的采樣信號主要包括0～200 mV DC，0～20 mA DC。電阻功率統(tǒng)一選擇為0.25 W。具體電路如圖3所示。

圖3 小信號采樣電路原理圖Fig.3 Small signal sampling circuit schematic

2.4 電阻漂移解決方案

2.2節(jié)、2.3節(jié)中對電阻參數(shù)的取值進行了研究，但是實際應用中的電阻是有誤差的，這種誤差主要由兩方面構成，一是電阻本身的精度誤差即電阻的精度，另一方面是電阻阻值會隨著溫度變化而變化即電阻的溫度系數(shù)。

電路設計的精度要求是0.5%，滿足這個技術指標要從以下兩個方面來進行處理：

1）選用高精度的運放和電阻，運放選用了TI的OPA2350，電阻方面考慮體積、精度、價格等各方面因素，選用了Viking的高精度金屬膜電阻CSR0207系列，電阻精度0.5%，電阻溫度系數(shù)TCR=25 ppm∕℃；

2）整定，雖然選用了高精的運放和電阻，但各個元器件之間還是有誤差，不過焊接完成后這個誤差就固定了，因此為了采樣結果中減少這個誤差，在使用之前對電路參數(shù)進行整定，先把參數(shù)誤差標定記錄下來，正式使用時再用整定后的參數(shù)進行計算，可以進一步減小誤差。

3 試驗測試與結果分析

按照第2節(jié)的設計，完成裝置的生產后，重點測試相關電路的精度和采樣率是否達到設計要求。

3.1 采樣電路精度測試

精度測試分為常規(guī)采樣測試和諧波采樣測試。常規(guī)采樣時輸入幅值變化、頻率固定（交流信號頻率固定為50 Hz）的模擬量。諧波采樣輸入幅值固定、頻率變化（只測交流信號）的模擬量。

針對不同輸入電壓和電流，分別通入裝置，記錄實時監(jiān)視數(shù)據并計算相對誤差。

3.1.1 常規(guī)采樣精度測試

因篇幅關系，測試數(shù)據只列出了直流0～20 mA和交流0～400 V數(shù)據，如圖4、圖5所示。按照《GB∕T 14598.301—2020電力系統(tǒng)連續(xù)記錄裝置技術要求》中5.5.6的要求，交流信號相對誤差≤0.5%。直流信號相對誤差≤1%，根據圖4、圖5的測試數(shù)據進行統(tǒng)計和分析，結果如表2所示。

圖4 直流0～20 mA輸入采樣結果及相對誤差Fig.4 DC 0～20 mA input sampling results and relative error

圖5 交流0～400 V輸入采樣結果及相對誤差Fig.5 AC 0～400 V input sampling results and relative error

表2 常規(guī)采樣測試結果Tab.2 Conventional sampling test results

3.1.2 諧波采樣精度測試

諧波測試時，輸入額定Un為57.735 V∕50 Hz，各次諧波含量為20%Un即11.547 V。輸入額定In為5 A∕50 Hz，各次諧波含量為20%In即1 A。

由于篇幅關系，測試數(shù)據只列出了0～400 V數(shù)據，如圖6所示。

圖6 交流0～400 V輸入諧波采樣結果及相對誤差Fig.6 AC 0～400 V input harmonic sampling results and relative error

按照《GB∕T 14598.301—2020電力系統(tǒng)連續(xù)記錄裝置技術要求》中5.5.6.10的要求：裝置應具備25次及以下諧波分析功能，諧波分量測量誤差不大于5%。根據圖6的測試數(shù)據進行統(tǒng)計和分析，結果如表3所示。

表3 諧波采樣測試結果Tab.3 Harmonic sampling test results

由圖4～圖6可以看出，本文設計的模擬信號隔離采樣電路在各種輸入信號和范圍時，幅值和諧波精度較高，達到了設計要求。

3.2 500 kHz采樣率測試

本文的另一個核心設計目標為500 kHz采樣率設計，將交流電壓通道接入額定電壓，啟動錄波并分析，220 kV正河線合并單元A套PCS221CB各相電壓錄波圖如圖7所示。

圖7 故障錄波波形Fig.7 Fault recorded waveforms

在圖7中，實線游標為第109 999個采樣點，虛線游標為第110 000個采樣點。兩個采樣點之間相差 0.002 ms，即 2 μs，采樣頻率為 500 kHz。達到了設計要求。

4 結論

本文提出了一種適用于便攜錄波裝置的模擬信號隔離采樣電路方案，此方案采用單通道ADC芯片，通過簡單的電阻匹配適應用交直流電壓和直流電流等信號。設計了相關裝置，對各種輸入信號的常規(guī)采樣、諧波采樣和采樣率進行測試。測試結果證明了本文提出的采樣方案具有很高的精度同時具備了國內最高的故障錄波采樣率。目前本方案已經批量使用于相關裝置，并得到了良好的應用效果。